耦合风场作用下单旋翼植保无人机施药飘移规律研究

Pesticide drift directly causes pesticide waste and environmental pollution. The existing studies on the drift laws of single-rotor plant protection UAV mainly concentrated on tests and qualitative analyses. In order to acquire the clear mathematical description of the droplet deposition in the wind field coupled by the environment airflow and the rotor downwash, based on the hydrodynamic, this research will obtain the dynamic three-dimensional velocity vector-functions of the coupled wind field according to the quantitative analysis results by testing and numerical simulating. Based on the gas-liquid two-phase theory, the dynamic three-dimensional velocity vector-functions will be integrated into the dynamic equations of the droplet to establish the droplet transportation mathematical model combined with the droplet characteristics in the wind field. On the basis of these researches above, the spray deposition test carried under wind tunnel condition, three-dimensional laser scanning test, high-speed photographic test and CFD simulation analysis would be conducted to study the droplet deposition mechanism in different conditions for achieving the droplet drift laws of single-rotor plant protection UAV application. This study will provide a theoretical basis for optimizing and guiding the aerial spraying application.

飘移是造成农药浪费和环境污染的直接因素。现有单旋翼植保无人机施药飘移规律研究主要集中在试验测试与定性分析阶段，雾滴在旋翼和自然环境耦合风场作用下运动沉降的数学描述尚不明晰。本项目以流体动力学理论为基础，通过测试与数值分析定量解析耦合风场，获取耦合风场动态三维速度矢量函数表达；并以此为源项融入到雾滴运动动力学方程中，以气液两相流理论为基础，结合雾滴特性建立雾滴流场空间输运数学模型；融合风洞条件下喷雾沉积试验、三维激光扫描测试、高速摄影试验和CFD模拟分析等手段开展雾滴在不同作业条件下的沉积飘移特性研究，探明旋翼无人机施药中雾滴飘移规律。本研究为优化旋翼无人机施药作业参数和指导航空施药作业提供理论依据。

植保无人飞机具有作业高效、省水省药等优势，广泛用于农作物的病虫害的防治中。然而植保无人飞机田间植保作业是一个复杂过程，喷洒雾滴除了受到自身重力作用，还受到旋翼风场和环境风场的综合作用，科学合理地解析、利用耦合风场有助于提高雾滴的有效沉积，减少雾滴飘移，达到农药减施增效的目的。基于研究任务，围绕耦合风场空间定量分析与雾滴沉积飘移规律问题，主要开展了如下研究：. 以单旋翼植保无人飞机Z-3N为研究对象，通过实体测量获取物理参数，综合考虑喷雾量、雾滴粒径等因素，使用B样条处理和网格化法的数值模拟，采用贴体坐标法生成机身、雾化面和计算域的网格，建立了单旋翼植保无人飞机的数学模型，完成了旋翼下洗风场的数值空间分布分析。设计了非标的风场测试试验台，采用“米-环形放射状布点测量法”，以实测风速值为基准进行了旋翼下洗风场的测试试验验证，验证了模拟数据相对于实测数据的置信度，证明了所建立模型的准确性。. 在上述建立的喷洒模型中进行了不同速度（3m/s、4m/s和5m/s）、不同高度（5m、6m和7m）和不同侧风（1m/s、2m/s和3m/s）的耦合风场条件下雾滴沉积、飘移规律模拟研究，并进行了相同条件下的验证试验。结果表明：侧风速度增加侧风下方最大飘移距离随着侧风风速增加明显增大；当侧风较小时（1-2m/s）试验值和模拟值沉积量平均相对误差较小，可以准确反映出喷洒区域的雾滴沉积量和缓冲区域的雾滴飘移量，但侧风较大时，试验值和模拟值相差较大但变化趋势保持一致。证明了数学模型的准确性和数值模拟方法的可行性。. 进行了大田环境下耦合风场单旋翼植保无人飞机雾滴沉积规律研究，以及单（CE20）、多旋翼(P20)植保无人飞机雾滴沉积、穿透性能对比分析研究。采用可重复两因素方差分析法得出了旋翼风场、迎风耦合作用对喷洒雾滴有效幅宽、沉积均匀性以及穿透性的影响，得出耦合风场作用下不同防治对象的最优参数组合。